طراحی ژنراتور الکترومغناطیسی برای تبدیل انرژی جنبشی بدن انسان به برق

Transcript

1 طراحی ژنراتور الکترومغناطیسی برای تبدیل انرژی جنبشی بدن انسان به برق Photograph of Presenter حمیدرضا فروغی دهنوی دکترمهدی نیرومند 1- گروه الکترونیک موسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی استان اصفهان 2- استادیار دانشکده مهندسی برق دانشگاه اصفهان نام ارائهدهنده: حمیدرضا فروغی دهنوی خالصه مدل سازی تجزیه و تحلیل یک ژنراتور الکترومغناطیسی برای برداشت انرژی جنبشی بدن انسان و تبدیل آن به برق ارائه شده است. ژنراتور طراحی شده قابلیت نصب بر روی قسمت های مختلف بدن انسان را دارا میباشد به طوری که برای راه اندازی آن نیازی به نیروی اضافه بر نیروی انجام عملیات های روزانه نداشته است. این انرژی برداشت شده را می توان برای تامین انرژی دستگاه های الکترونیکی قابل حمل از جمله دستگاه های کاشت پزشکی و حسگرهای بیسیم استفاده نمود. استفاده از تعدادی از این ژنراتورها می توان انرژی قابل مالحظه ای برداشت کرد. ماکسیمم ولتاژ برداشت شده برای یک مدل از ژنراتور برابر با 029 میلی ولت می باشد که با کلمات کلیدی: دریافت انرژی انسان ژنراتور الکترومغناطیسی الکترونیک پوشیدنی دستگاه های آهنربای دائم 1. مقدمه در سالهای اخیر بیشتر دستگاههای الکترونیکی قابل حمل شده اند مانند دستگاههایی که برای ارتباط سرگرمی ورزش وبرنامه های کاربردی بهداشت و درمان استفاده میگردد. تامین انرژی این دستگاه ها که جزء دستگاه های کم مصرف می باشند مورد توجه محققان قرار گرفته است.] 1 [ در حال حاضر همه این دستگاه های طراحی شده با استفاده از باتری که همراه خود دارند کار می کنند. اندازه وزن اضافه و نیاز به شارژ شدن مداوم باتری ها باعث ناراحتی کاربر می گردد] 2 [که استفاده از منابع انرژی سازگاربا محیط زیست وساخت دستگاه هاییکه همیشه شارژ مورد نیازخود را داشته باشند الزامی می گردد. راه حل این مساله دریافت انرژی از بدن انسان می باشد که طیف وسیعی از روش های مختلف را در بر میگیرد.] 3 [ یکی از این روش ها تبدیل انرژی جنبشی بدن انسان به انرژی الکتریکی مفید میباشد.در این مقاله طراحی یک ژنراتور پوشید ین که انرژی جنبشی بدن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند بررسی گردیده است.که این انرژی ممکن است مستقیم به دستگاه های قابل حمل اعمال گردد یا به عنوان شارژ کننده باتری دستگاه مورد نیاز مورد استفاده قرار گیرد. موارد بسیاری از این نوع ژنراتور مورد بررسی قرار گرفته است که برای لوازم جانبی شخصی مورد استفاده قرارگرفته است مانند] 4, 5[ نتایج بدست آمده در مقاالت دیگر نشان دهنده این است که حداکثر پتانسیل قابل برداشت از انرژی اطراف پا و دست هنگام راه رفتن می باشد.] 6 [ روش های ارئه شده در نحوه برداشت انرژی تولید شده هنگام راه رفتن مانند پنوماتیک پیزوالکتریک و الکترومغناطیس می باشد.] 7 [ ]8[ ]0[ یک امر مهم در برداشت انرژی این میباشد که این دریافت موجب بهم ریختگی حالت طبیعی راه رفتن در انسان نگردد. در اینجا ژنراتور ارئه شده این مساله را بخوبی رعایت کرده است که بدون نیاز به انرژی عالوه بر انرژی راه رفتن بتوان انرژی الکتریکی را بدست آورد.سطح انرژی بدست آمده وابسته به سرعت راه رفتن می باشد.انرژی وارد شده توسط کاربر بسیار بزرگ تر از انرژی کسب شده از آن میباشد سعی بر بهبود بخشیدن این مساله می باشد.درقسمت های بعد به آنالیز ه یا مکانیکی ژنراتور پرداخته می شود که عامل مهمی در فرکانس کار ژنراتور می باشد.به همین ترتیب در بخش های بعدی مدل الکترومغناطیسی و مدل ساخته شده در نوسانات مختلف مورد بررسی قرار میگیرد.

2 2. مدل مکانیکی بیشتر ژنراتور های لرزشی اغلب از مدل جرم فنر و دمپر بصورت بهینه سازی شده در فرکانس های مختلف استفاده میکنند. دراین ژنراتورها ازآنجا که حرکت دادن سیم پیچ ها مشکل می باشد جرم آهنربا را به حرکت در می آوریم. همان طور که در شکل 2-1 مشاهده می کنید حجم ژنراتور برابر باy=z=doc که doc حداکثر ابعاد بیرونی میباشد. داخل غالف سیم پیچ ها خالی میباشد تا حرکت آهنربا درآن امکان پذیر باشد. شکل 2-1 :مدل ژنراتور الکترومغناطیسی ]11[ دراینجا بیشترین جابه جایی را xp در نظر گرفته ایم در شکل 2-1 ابعاد خارجیlgen وابعاد آهنربا با lm مشخص شده است بیشترین جابه جایی از فرمول ) 2-1 (بدست می آید: ]11[ xp = lgen )2-1( lm البته در مدل ژنراتور ساخته شده چون از یک آهنربای ثابت در انتهای )2-2( آن استفاده شده است بیشترین جابه جایی با فرمول) 2-2 ( محاسبه میگردد. lmend) معادله عمومی برای حرکت آهنربا نسبت به غالف سیم پیچ توسط نیروی جنبشی برابر فرمول )2-3( میباشد.] 11 [ xp = lgen (lm m dx2 dt dx 2 + Dp + Kx = F0 sin wt Fem ا dt )2-3( که در ین معادله x جنبش نسبی بین آهنربا و سیم پیچ است Dp استهالک های پارازیتی Fem نیروی الکترومغناطیسی بین سیم پیچ وآهنربا وF0 نیرو محرکه می باشد که متناسب با شتاب )a( جرم آهنربا می باشد. w فرکانس نیروی اعمال شده است و K ثابت فنر می باشد.راه حل ساده تر برای محاسبه جابجایی آهنربا در فرمول) 2-3 ( به صورت معادله) 2-4 ( که در زیر آمده است محاسبه میگردد. ]11[ x(t) = F0 (K mw 2 ) 2 +(Dp+Dem) 2 w 2 ) 2-4( که Dem نوسانات الکترومغناطیسی میباشد Dp نوسانات پارازیتی منظور از نوسانات الکترومغناطیسی مکانیزمی می باشدکه از آن برق تولید می گردد. متوسط توان الکتریکی ساختار این ژنراتور توسط فرمول )2-5( محاسبه می گردد.

3 Pavg = DemF0 2 w 2 )2-5( 2[(K mw 2 ) 2 +(Dp+Dem) 2 w 2 ] نیروی میرایی الکترومغناطیسی متناسب با سرعت آهنربا می باشد که توسط فرمول )2-6( محاسبه میگردد. ]11[ Fem = (N dφ dt )2 1 dx = RC+RL+JWL dt )2-6( Dem dx dt N تعداد دور سیم پیچ می باشد ( dφ)/(dt ) متوسط شار در هر دور از سیم پیچ می باشد RC مقاومت سیم پیچ ها و LC اندوکتانس سیم پیچ ها وRL مقاومت بار است مقاومت سیم پیچ و سلف به تعداد دور سیم پیچ بستگی دارد. 3. مدل الکترومغناطیسی بهره برداری از این ژنراتور بر روی القای الکترومغناطیسی بنا شده است که در آن حرکت یک یا چند آهنربا بر روی سیم پیچ ها یک تغییر مغناطیسی درسیم پیچ ها بوجود می آورد. در نتیجه ولتاژ مدار باز( Voc(t ناشی از یک سیم پیچ با تعداد دور N که نشان دهنده ارتباط لحظه ای آن با یک دورسیم پیچ می باشد. Voc(t) = )3-1( N dφ(xi,t) i=1 dt برای یک ترکیب آهنربا و سیم پیچ ویژه مانند شکل 3-1 (t φi(xi, ممکن است دوره هایی از شار ایجاد شده در طول آهنربا باشد. که φm(xmi) به صورت فرمول) 3-2 ( محاسبه میگردد. شکل 3-1 :ابعاد نسبی از آهنربا و سیم پیچ] 10 [ φ(xi, t) = φm (Lφ + Lc )3-2( 2 + xmi st) که xmi فاصله ی محوری از مرکز آهنربا است s سرعت آهنرباست Lc طول سیم پیچ و Lφ فاصله شروع بین مرکز آهن ربا وآخر سیم پیچ می باشد. باجایگزینی برای (t φi(xi, از جمله φm(xmi) در رابطه )3-1( ولتاژ لحظه ای مدار باز سیم پیچ ممکن است از رابطه) 3-3 ( بدست آید. Voc(t) = (s + t ds )3-3( dφ(xmi) ) N dt i=1 dxmi که در آن xmi متفاوت است از (Lφ-st) برای 1=i نسبت به (Lφ+Lc-st) برای i=n در زمان t در این روش مشاهده میشود که محاسبه ولتاژ مدار باز به طور عمده براساس شار مغناطیسی ایجاد شده بوسیله آهنربا درون سیم پیچ در هر لحظه است. بافرض اینکه نیروی جنبشی ورودی بین آهنربا و سیم پیچ بزرگ تر از نیروی نوسانات الکترومغناطیسی باشد میتوان یک مدار معادل ساده که شامل یک منبع ولتاژ Voc(t) ویک مقاومت سری به عنوان مقاومت ظاهری سیم پیچ است در نظر گرفت. باتوجه به فرکانس پایین ولتاژ تولید شده سهم القای مغناطیسی سیم پیچ ها در معادله )3-3( نادیده گرفته شده است. حداکثر توان لحظه ای تولید شده برای حالت مدار باز توسط ژنراتور از طریق فرمول) 3-4 ( محاسبه می گردد.

4 Po = Voc2 Rl (Rc+Rl) 2 )3-4( که Voc 2 = v T Vo(t)2 dt 0 که Rc وRl به ترتیب مقاوت های سیم پیچ و بار می باشند.روشن است که برای بدست آوردن حداکثر توان باید مقاومت بار با سیم پیچ تنظیم گردد. 1 T 4. مدل عملی ساخته شده مدل طراحی شده در این مقاله یک ژنراتور استوانه ای می باشد که در شکل 4-1 طرح اصلی و مدل گرافیکی آن را مشاهده میکنید جنس استوانه از پالستیک بوده و دارای ارتفاع 5.5cm وشعاع 0.8cm می باشد ارتفاع سیم پیچ از پایین تا باال 4cm میباشد. شکل 4-1 :مدل ساخته شده و مدل گرافیکی ژنراتور در انتهای ژنراتور یک آهنربای تخت با ابعاد 1cm طول 1cmعرض 0.4cm ارتفاع از جنس Ndfe می باشد این جنس آهنربا از قوی ترین نوع آهنربا ها میباشدکه دارای شار مغناطیسی باالیی است. آهنربای متحرک در داخل استوانه قرار گرفته است و از دو آهنربای Ndfe استوانه ای شکل با ابعاد 0.6cm ارتفاع و 0.5cm شعاع درست شده است. سیم پیچ ژنراتور از جنس مس بوده و مقاوت کل 46 اهم با تعداد دور 479 بر روی بدنه استوانه پیچیده شده است. تعداد دور سیم پیچ وضخامت سیم پیچ از پارامترهای مهم در ایجاد ماکسیمم ولتاژ خروجی میباشد. جهت تست ژنراتور از یک شیکر برای ایجاد لرزش در فرکانس های مختلف و یک اسیلوسکوپ دیجیتالی برای نمایش دقیق شکل موج خروجی ژنراتور استفاده شد. ژنراتور ساخته شده را مطابق شکل 4-2 به دستگاه تولید لرزش )شیکر( وصل کردیم در این مرحله رعایت تراز بودن ژنراتور مهم می باشد جون در صورت تراز نبودن ایجاد لرزشهای پارازیتی کرده و آهنربای متحرک بخوبی نمی تواند در محل خود به حرکت درآید و پس از تنظیم فرکانس مورد نظر خروجی ژنراتور را توسط اسیلوسکوپ دیجیتالی مشاهده وثبت نمودیم برای رفع نویزهای وارده همراه با ولتاژ خروجی از یک خازن با ظرفیت کم به صورت موازی با ژنراتور استفاده شده است نکته قابل توجه این میباشد که اگر از خازن بزرگ استفاده شود باعث افت ولتاژ می گردد. شکل 4-2 : نمونه وصل شده ژنراتور به شیکر و اسیلوسکوپ دیجیتالی

5 Vp-p (mv) The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Iran. 5. تست مدار با دو آهنربای متحرک در حالت اول از دوآهنربای متصل بهم برای قسمت متحرک ژنراتور استفاده کریم و خروجی ژنراتور را در فرکانس های مختلف تست نموده وآنها را ثبت کریم که این نتایج در نمودار 5-1 قابل مشاهده میباشد.همان طور که مشاهده می نمایید بیشترین خروجی را در فرکانس 45 هرتز دریافت کرده ایم که شکل خروجی ژنراتور در این حالت توسط اسکوپ ثبت گردید و در شکل 5-2 قابل مشاهده می باشد Frequency(Hz) نمودار 5-1 :نمودار تغییرات ولتاژ خروجی با فرکانس های مختلف شکل 5-2 : ولتاژ خروجی ژنراتور در فرکانس 45 هرتز ثبت شده توسط اسکوپ دیجیتالی ژنراتور در حالتی بهترین پیک ولتاژ خروجی را دارا میباشد که آهنربا تمام مسیر سیم پیچی شده را طی کند یعنی تغییرات شار الکترومغناطیسی را در تمام سیم پیچ اعمال کند مطابق با فرمول) 2-2 (. چون در دستگاه شیکر دارای محدودیت هایی برای اعمال ببیشترین حرکت به آهنربا را دارا می باشیم یعنی دامنه تغییرات را نمبتوان به اندازه ای باال برد که آهنربا تمام مسیر را طی کند ما توسط دست ژنراتور را به حرکت در آورده

6 power(uw) The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Iran. به طوری که آهنربای متحرک تمامی سطح سیم پیچ را طی کند در این حالت با توجه به نتایج به دست آمده در یک حالت توانستیم 920mv ولتاژ از ژنراتور بدست بیاوریم که عدد قابل توجهی میباشد در این جا ما با فرکانس کم اما دامنه تغییرات زیاد به این نتیجه رسیدیم پس یک عامل مهم در افزایش دامنه ولتاژ خروجی افزایش دامنه تغییرات میباشد. شکل 5-3 ولتاژ خروجی ژنراتور در حالتی که لرزش توسط دست به آن اعمال شده است را نشان میدهد. شکل 5-3 :ولتاژ خروجی ژنراتور در حالت اعمال لرزش توسط دست پس ازآنکه ولتاژ خروجی ژنراتور را در فرکانس های مختلف بدست آوردیم با توجه به فرمول) 3-4 ( که برای محاسبه توان میباشد در حالتی که از باری برابر با مقاومت سیم پیچ استفاده شده است ایجاد میگردد حساب شد و مطابق نمودار 5-2 میباشد. توان را برای بهترین حالت در استفاده از شیکر برای لرزش و توان برای حالتی که لرزش با دست توان در حالت استفاده از شیکر 4600 توان در حالت لرزش با دست

7 Vp-p (mv) The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Iran. نمودار 5-2 : مقایسه توان برای ایجاد لرزش توسط شیکر و دست همان طور که از نمودار مشخص است بیشترین توان در حالتی میباشد که لرزش توسط دست انجام شده و آهنربا کل سطح سیم پیچ را طی کرده است این مقدار برابر با 4.6mw می باشد که با توجه به ساختار ژنراتور توان قابل توجهی میباشد. 6. تست مدار با یک آهنربای متحرک پس از تست مدار در شرایط اولیه یعنی در حالتی که از دو آهنربا استفاده شده بود برای دریافت تاثیر طول آهنربای متحرک بر عملکرد ژنراتور آن را در حالتی که آهنربای متحرک یک عدد بود نیز تست کردیم که نتایج ولتاژ خروجی در نمودار 6-1 قابل مشاهده میباشد و نشان دهنده آن می باشد که ولتاژ خروجی افت بسیاری کرده است پس یکی دیگر از پارامتر های مهم در بهینه بودن ژنراتور طول آهنربای متحرک میباشد کاهش طول آهنربا باعث کاهش شارمغناطیسی شده ونیز دامنه تغییرات کم میگردد Frequency(Hz) نمودار 6-1 : نمودار تغییرات ولتاژ خروجی با فرکانس های مختلف همچنین در حالتی که انرژی لرزشی توسط دست به ژنراتور اعمال گردد تست گردید و ولتاژی برابر با 520mv بدست آمد که شکل موج آن را در شکل 6-1 آمده است. باتوجه به شکل مشخص میشود که در این حالت نیز ولتاژ خروجی کاهش پیداکرده و از نظم خاصی پیروی نمیکند که علت آن افزایش لرزش های پارازیتی وارده به آهنربا میباشد.

8 شکل 6-1 : شکل موج ولتاژ خروجی ژنراتور در حالت لرزش دستی 7. پارامترهای مهم برای بهینه شدن ژنراتور.8 باتوجه به فرمول های تئوری ونتایج عملی بدست آمده میتوان چندین پارامتر مهم برای بهینه شدن و افزایش ولتاژ دریافتی را به صورت خالصه بیان کرد از جمله این پارامتر ها و مهم ترین آنها میتوان به ماکسیمم جابجایی آهنربای متحرک در سیم پیچ نام برد که این مهم در نتایج عملی کامال آشکار شد و در حالتی که بیشترین جابجایی را داشتیم ماکسیمم ولتاژ و توان را بدست آوردیم.پارامتر بعدی طول آهنربای متحرک بود که خود نیز جزئی از ماکسیمم جابجایی میباشد اما تاثیر دیگرآن میزان شار مغناطیسی بود که در حالتی که دوآهنربا استفاده میشود بیشتر گردیده و رابطه مستقیم با ولتاژ دریافتی دارد.تعداد دور سیم پیچ با توجه به فرمول های تئوری نیز یک عامل مهم دیگر میباشد که البته زیاد شدن این تعداد دور نیز باعث افزایش مقاوت سیم پیچ میگردد.فرکانس جز عواملی میباشد که باتوجه به نحوه استفاده از از ژنراتور در محل نصب مورد نظر متفاوت میباشد اما باتوجه به کم بودن فرکانس لرزش تولید شده توسط بدن انسان محدوده فرکانس کاری ژنراتور در صورت پایین بودن قابل قبول تر میباشد. نتیجهگیری در این مقاله طراحی یک ژنراتور الکترومغناطیسی که حرکات جنبشی بدن انسان را به برق تبدیل می کند توضیح داده شد به همراه پارامترهای مهم برای بهینه شدن ژنراتور. این ژنراتور قابلیت این را داشت که بر روی وسایل همراه انسان یا بر روی بدن انسان نصب گردد بدون اینکه بدن برای راه اندازی آن نیازی به انرژیی عالوه بر انرژی های روزمره داشته باشد. ولتاژ بدست آمده از ژنراتور در حالی که در سطح کمی قرار دارد اما برای دستگاه های پزشکی قابل کاشت در بدن و حسگرهای بیسیم قابل استفاده می باشد.آنالیز های انجام شده تاثیر پارامترهای مختلف در بهبود وبهینه کردن ژنراتور بررسی گردید که شامل طول آهنربا طول سیم پیچ مقاومت سیم پیچ و ماکسیمم دامنه حرکت آهنربا می باشد. هم چنین ژنراتور در حالتی که نیروی جنبشی خودرا از دست بگیرد تست شد ونتایج آن ثبت گردید. مدل طراحی شده در حالتی که از دوآهنربای متحرک استفاده گردید به طور متوسط توانی برابر با 4.6mw برای لرزش توسط دست بدست آمد. این سطوح انرژی بدست آمده در مقایسه با روش های دیگر دریافت انرژی مطلوب تر می باشد.با استفاده از دو یا چند عدد از این ژنراتورها در ادوات همراه انسان به عنوان مثال کوله پشتی می توان توان قابل توجهی بدست آورد. 9. مراجع [1] N. Ben Amor, O. Kanoun, A. Lay-Ekuakille, G. Specchia, G. Vendramin, and A. Trotta, "Energy harvesting from human body for biomedical autonomous systems," in Sensors, 2008 IEEE, 2008, pp [2] T. J. Kazmierski, Energy Harvesting Systems: Principles Modeling and Applications: Springer, [3] C.-Y. Sue and N.-C. Tsai, "Human powered MEMS-based energy harvest devices," Applied Energy, vol. 93, pp , [4] C. R. Saha, T. O'Donnell, H. Loder, S. Beeby, and J. Tudor, "Optimization of an electromagnetic energy harvesting device," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 42, pp , [5] V. Bedekar, J. Oliver, and S. Priya, "Pen harvester for powering a pulse rate sensor," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 42, p , [6] T. Starner, "Human-powered wearable computing," IBM systems Journal, vol. 35, pp , [7] O. Yaglioglu, "Modeling and design considerations for a micro-hydraulic piezoelectric power generator," Massachusetts Institute of Technology, [8] L. Mateu and F. Moll, "Optimum piezoelectric bending beam structures for energy harvesting using shoe inserts," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 16, pp , [9] N. S. Shenck and J. A. Paradiso, "Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectrics," Micro, IEEE, vol. 21, pp , [10] D. Carroll and M. Duffy, "Modelling, design, and testing of an electromagnetic power generator optimized for integration into shoes," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, vol. 226, pp , 2012.

9 [11] T. O Donnell, C. Saha, S. Beeby, and J. Tudor, "Scaling effects for electromagnetic vibrational power generators," Microsystem Technologies, vol. 13, pp , 2007.